JP2018507378A - Magnetocaloric cascade and method for producing magnetocaloric cascade - Google Patents

Magnetocaloric cascade and method for producing magnetocaloric cascade Download PDF

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Abstract

本発明は、異なるキュリー温度TCを有する連続の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードであって、− 前記磁気熱量材料層は、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも3層の内層を含み、− 前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のエントロピーパラメーターmΔSは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターmΔSは、前記各磁気熱量材料層の質量mと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔSとの積として定義され、− 前記内層のうち少なくとも2層は、互いに異なる質量mを有し、− 隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にある、磁気熱量カスケードに関する。The present invention is a magnetocaloric cascade comprising successive magnetocaloric material layers having different Curie temperatures TC, the magnetocaloric material layer comprising a low temperature side outer layer, a high temperature side outer layer, and the low temperature side outer layer and the high temperature side Including at least three inner layers between the outer layers, and for each pair of adjacent magnetocaloric material layers of the magnetocaloric cascade, there is a respective crossing temperature, wherein both of the adjacent magnetocaloric material layers The entropy parameter mΔS takes the same intersection value, and the entropy parameter mΔS is defined as the product of the mass m of each magnetocaloric material layer and the isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer -At least two of the inner layers have different masses m-the entropy parameter mΔS in all pairs of adjacent inner layers All intersection value, the magnetocaloric cascade all mean exactly equal to the intersection value in all pairs of adjacent inner layer, in the range of the width of ± 15%, about magnetocaloric cascade.

Description

本発明は、磁気熱量カスケード及び磁気熱量カスケードの製造方法に関する。本発明は更に、磁気熱量カスケードの使用を含む、磁気熱量再生器(regenerator)、ヒートポンプ及びヒートポンピング(heat−pumping)方法に関する。   The present invention relates to a magnetocaloric cascade and a method for producing a magnetocaloric cascade. The invention further relates to a magnetocaloric regenerator, heat pump and heat-pumping method, including the use of a magnetocaloric cascade.

材料研究の進展により、磁気熱量効果(MCE)は、冷却装置、プロセス工業における氷生成用冷却システム、及び空気調和装置系統などの、室温でさえの工業及び商業的用途のための公知の流体循環冷却方法に代わる、経済的に成り立つ代替案として浮かび上がっている。磁気熱量効果の別の用途分野は、電磁気発電機、即ち、熱から電気エネルギーへの変換におけるものである。   With the progress of material research, magnetocaloric effect (MCE) has become known fluid circulation for industrial and commercial applications even at room temperature, such as refrigeration systems, cooling systems for ice production in the process industry, and air conditioner systems. It has emerged as an economically viable alternative to cooling methods. Another field of application of the magnetocaloric effect is in electromagnetic generators, ie the conversion of heat into electrical energy.

磁気熱量効果は、好適な磁気熱量材料に対する外部磁場の印加及びキュリー温度付近の周囲温度の下で発生する。印加された外部磁場は、磁気熱量材料のランダムに並んだ磁気モーメントを整列させ、従って、磁気相転移を引き起こす。このことは、周囲温度を超える材料のキュリー温度の上昇が誘発されたものと説明することもできる。この磁気相転移は、磁気エントロピーの減少を意味し、断熱プロセス(周囲温度からの熱的分離)において、フォノン生成による磁気熱量材料の結晶格子のエントロピー寄与の増大につながる。従って、外部磁場を印加した結果として、磁気熱量材料の加熱が発生する。   The magnetocaloric effect occurs under the application of an external magnetic field to a suitable magnetocaloric material and ambient temperature near the Curie temperature. The applied external magnetic field aligns randomly aligned magnetic moments of the magnetocaloric material, thus causing a magnetic phase transition. This can also be explained as an induced increase in the Curie temperature of the material above ambient temperature. This magnetic phase transition means a decrease in magnetic entropy and leads to an increase in the entropy contribution of the magnetocaloric material crystal lattice due to phonon generation in the adiabatic process (thermal separation from ambient temperature). Thus, heating of the magnetocaloric material occurs as a result of applying an external magnetic field.

技術的冷却用途において、この追加熱は、型内の周囲ヒートシンク又は熱媒体への熱伝導により、前記材料から除去される。水は、磁気熱量材料からの熱除去に使用される熱媒体の一例である。その後に外部磁場を除去することは、キュリー温度が周囲温度未満に低下し、従って、磁気モーメントがランダム配置に戻ることとして説明できる。このことは、磁気エントロピーの増大と磁気熱量材料自体の結晶格子のエントロピー寄与の減少とを引き起こし、したがって、断熱プロセス条件において、磁気熱量材料の周囲温度未満への冷却をもたらす。磁化及び消磁を含む上記のプロセスサイクルは通常、装置適用時に周期的に実行される。   In technical cooling applications, this additional heat is removed from the material by heat conduction to an ambient heat sink or heat medium in the mold. Water is an example of a heat medium used to remove heat from a magnetocaloric material. Subsequent removal of the external magnetic field can be explained as the Curie temperature drops below ambient temperature, and thus the magnetic moment returns to a random configuration. This causes an increase in magnetic entropy and a decrease in the entropy contribution of the magnetocaloric material's own crystal lattice, thus leading to cooling of the magnetocaloric material below ambient temperature in adiabatic process conditions. The process cycle described above, including magnetization and demagnetization, is typically performed periodically during device application.

上記の冷却効果は、降下するキュリー温度を有する連続の層として、又は換言すれば、降下するキュリー温度ごとに連続する2層以上の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードとして、磁気熱量材料を設計することにより増大され得る。このような磁気熱量カスケードでは、第1の磁気熱量材料が、第2の磁気熱量材料を、第2の磁気熱量材料のキュリー温度に近い温度まで冷却し、カスケードに含まれる任意の更なる磁気熱量材料に対しても同様となる。このようにすると、得られる冷却効果は、単一の磁気熱量材料を使用する場合と比較して、大幅に増大され得る。   The above cooling effect can be achieved by designing the magnetocaloric material as a continuous layer with a decreasing Curie temperature, or in other words as a magnetocaloric cascade comprising two or more magnetocaloric material layers that are continuous for each decreasing Curie temperature. Can be increased. In such a magnetocaloric cascade, the first magnetocaloric material cools the second magnetocaloric material to a temperature close to the Curie temperature of the second magnetocaloric material, and any additional magnetocaloric content included in the cascade. The same applies to the material. In this way, the resulting cooling effect can be greatly increased compared to using a single magnetocaloric material.

US2004/0093877A1は、室温又は室温付近で磁気熱量効果を示す磁気熱量材料、及びこのような磁気熱量材料を用いた磁気冷却装置を開示している。磁気熱量材料の異なる組成は、異なるキュリー温度を示す異なる磁気熱量材料、即ち、磁気相転移の異なる温度を生じる。磁気熱量材料は、変化する磁場に曝される第1及び第2の再生器ベッド(regenerator bed)内に配置される。再生器は磁気冷却装置の中核部を形成する。同様に、WO2004/068512A1及びWO2003/012801は、個々の成分又は個々の成分の相対量を変えることにより特定の組成の材料系から得られた、異なるキュリー温度を有する磁気熱量材料を記載している。   US 2004/0093877 A1 discloses a magnetocaloric material exhibiting a magnetocaloric effect at or near room temperature and a magnetic cooling device using such a magnetocaloric material. Different compositions of magnetocaloric materials result in different magnetocaloric materials exhibiting different Curie temperatures, ie different temperatures of the magnetic phase transition. The magnetocaloric material is placed in first and second regenerator beds that are exposed to a changing magnetic field. The regenerator forms the core of the magnetic cooling device. Similarly, WO 2004/068512 A1 and WO 2003/012801 describe magnetocaloric materials with different Curie temperatures obtained from a material system of a specific composition by varying the individual components or the relative amounts of the individual components. .

US2011/0094243は、異なるキュリー温度を有する少なくとも3種の異なる磁気熱量材料のカスケードから構成され、上昇又は降下するキュリー温度ごとに連続して配置され、中間熱及び/又は電気絶縁体により互いに隔離された熱交換器ベッドであって、隣接磁気熱量材料のキュリー温度の差は0.5〜6Kである、熱交換器ベッドを記載している。   US2011 / 0094243 consists of a cascade of at least three different magnetocaloric materials with different Curie temperatures, arranged sequentially for each rising or falling Curie temperature and isolated from each other by intermediate heat and / or electrical insulators A heat exchanger bed, wherein the difference in Curie temperature of adjacent magnetocaloric materials is 0.5-6K.

US8,104,293B2は、複数の熱的結合磁気熱量素子、流動媒体を含有する1個以上の貯蔵容器、及び2個の熱交換器を備える、磁気熱量冷却装置を開示している。熱交換器は、磁気熱量素子と熱的に結合し、流動媒体により磁気熱量素子と環境との間で熱を移動させる少なくとも1個の貯蔵容器と熱的に結合している。   US 8,104,293 B2 discloses a magnetocaloric cooling device comprising a plurality of thermally coupled magnetocaloric elements, one or more storage vessels containing a fluid medium, and two heat exchangers. The heat exchanger is thermally coupled to the magnetocaloric element and is thermally coupled to at least one storage vessel that transfers heat between the magnetocaloric element and the environment by a fluid medium.

US2011/0173993A1は、上昇するキュリー温度に従って配置された、磁気熱量材料の少なくとも2つの隣接するセットを備える、磁気熱量素子を開示している。同じセット内の磁気熱量材料は、同じキュリー温度を有する。磁気熱量素子は、磁気熱量素子における2つの対向する高温端部と低温端部との間に温度勾配を生じさせる開始手段を更に含む。   US2011 / 0173993A1 discloses a magnetocaloric element comprising at least two adjacent sets of magnetocaloric material arranged according to increasing Curie temperature. Magneto-caloric materials in the same set have the same Curie temperature. The magnetocaloric element further includes initiating means for creating a temperature gradient between two opposing hot and cold ends of the magnetocaloric element.

WO2014/115057A1は、降下するキュリー温度ごとに連続して配置された、異なるキュリー温度を有する少なくとも3種の異なる磁気熱量材料を含む磁気熱量カスケードであって、異なるキュリー温度を有する異なる磁気熱量材料のいずれも、最も高いキュリー温度を有する磁気熱量材料よりも高い層性能Lpを持つことがない、磁気熱量カスケードを記載している。異なるキュリー温度を有する異なる磁気熱量材料の少なくとも1つは、最も高いキュリー温度を有する磁気熱量材料よりも低い層性能Lpを有する。特定の磁気熱量材料層の層性能Lpは、式:Lp=m*dTad,最大(式中、dTad,最大は、磁気熱量サイクル中に低磁場から高磁場に磁化されるとき特定の磁気熱量材料が受ける最大断熱温度変化であり、mは、磁気熱量カスケードに含まれる特定の磁気熱量材料の質量である)に従って計算される。 WO2014 / 115057A1 is a magnetocaloric cascade comprising at least three different magnetocaloric materials with different Curie temperatures, arranged in succession for each descending Curie temperature, for different magnetocaloric materials with different Curie temperatures. Both describe a magnetocaloric cascade that does not have a higher layer performance Lp than a magnetocaloric material with the highest Curie temperature. At least one of the different magnetocaloric materials having different Curie temperatures has a lower layer performance Lp than the magnetocaloric material having the highest Curie temperature. The layer performance Lp of a particular magnetocaloric material layer is the formula: Lp = m * dT ad, max (where dT ad, max is the specific magnetism when magnetized from low to high fields during the magnetocaloric cycle. Is the maximum adiabatic temperature change experienced by the calorimetric material, and m is calculated according to the mass of the particular magnetocaloric material included in the magnetocaloric cascade.

US2004/0093877US2004 / 0093877 WO2004/068512WO2004 / 068512 WO2003/012801WO2003 / 012801 US2011/0094243US2011 / 0094243 US8,104,293US8,104,293 US2011/0173993US2011 / 0173993 WO2014/115057WO2014 / 115057

本発明の第1の態様に従えば、少なくとも3層の連続の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードが提供される。前記磁気熱量カスケードは、異なるキュリー温度Tを有する連続の磁気熱量材料層を含み、ここで、
− 前記磁気熱量材料層は、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも3層の内層を含み、
− 前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、それぞれの交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のエントロピーパラメーターmΔSは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターmΔSは、前記各磁気熱量材料層の質量mと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔSとの積として定義され、
− 前記内層のうち少なくとも2層は、互いに異なる質量mを有し、
− 隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にある。磁気熱量カスケードは、以下において、簡潔さのために短縮してカスケードと称される場合がある。
According to a first aspect of the present invention, a magnetocaloric cascade is provided that includes at least three successive magnetocaloric material layers. The magnetocaloric cascade includes magnetocaloric material layer continuous with different Curie temperatures T C, wherein
The magnetocaloric material layer includes a low temperature side outer layer, a high temperature side outer layer, and at least three inner layers between the low temperature side outer layer and the high temperature side outer layer;
-For each pair of adjacent magnetocaloric material layers of the magnetocaloric cascade, there is a respective intersection temperature, where the entropy parameter mΔS of both each adjacent magnetocaloric material layer takes the same intersection point value and the entropy parameter mΔS is defined as the product of the mass m of each magnetocaloric material layer and the isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer,
-At least two of the inner layers have different masses m,
All intersection values of the entropy parameter mΔS in all pairs of adjacent inner layers are exactly equal to the average value of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade or range of ± 15% width Is in. The magnetocaloric cascade may be abbreviated as a cascade in the following for brevity.

パラメーターΔSは、各磁気熱量材料層の磁気相転移時に得られる等温磁気エントロピー変化量の尺度である。等温磁気エントロピー変化量は、当該技術分野において公知の技法、例えば等温磁化データからの推測又は等磁場熱容量データからの推測により決定することができる。パラメーターΔSは温度の関数である。パラメーターΔSは、例えば、J/cm/K、又はより一般的にJ/kg/Kという単位において定量化される。簡略化のため、ある量が上記の文脈内で用いられる場合であっても、前記パラメーターは、本明細書において、||ΔS||ではなく、ΔSと表される。パラメーターΔSは、所与の磁気熱量材料層の特徴を数量化し、従って、磁気熱量カスケードの適切な設計により層ごとに個々に制御可能であるパラメーターを構成する。通常、等温磁気エントロピー変化の最大量ΔS最大は、所与の磁気熱量材料のキュリー温度Tにおいて得られる。 The parameter ΔS is a measure of the amount of isothermal magnetic entropy change obtained at the time of the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer. The amount of change in isothermal magnetic entropy can be determined by a technique known in the art, for example, estimation from isothermal magnetization data or estimation from isomagnetic field heat capacity data. The parameter ΔS is a function of temperature. The parameter ΔS is quantified, for example, in units of J / cm 3 / K, or more generally J / kg / K. For simplicity, even if an amount is used within the above context, the parameter is represented herein as ΔS rather than || ΔS ||. The parameter ΔS quantifies the characteristics of a given magnetocaloric material layer and thus constitutes a parameter that can be individually controlled for each layer by appropriate design of the magnetocaloric cascade. Usually, the maximum amount ΔS maximum isothermal magnetic entropy change is obtained in the Curie temperature T C of a given magnetocaloric material.

所与の層のΔSと質量の積は、単に本明細書内での参照を容易にするために、本明細書において「エントロピーパラメーター」と称される。ただし、これはエントロピーを定義することを意図したものではない。エントロピーパラメーターは、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化として説明することもできる。エントロピーパラメーターは、更に短縮して、mΔSとも称される。   The product of ΔS and mass for a given layer is referred to herein as an “entropy parameter” for ease of reference within this specification. However, this is not intended to define entropy. The entropy parameter can also be described as a mass-weighted isothermal magnetic entropy change during the magnetic phase transition. The entropy parameter is further shortened and is also referred to as mΔS.

本発明は、高温側と低温側との間で熱を移動させる際の磁気熱量カスケードの性能改善のために、内層のエントロピーパラメーターmΔSの重要性を認識したものである。本発明は更に、実際の磁気熱量材料はそれぞれ、エントロピーパラメーターの個々の各温度依存性を有し、通常、それぞれの層ごとに、各キュリー温度において、個々の大域的最大量mΔS最大を示すことを認識したものである。本発明は、磁気熱量カスケードの内層全体にわたりエントロピーパラメーターmΔSを適切に調整することにより、磁気熱量カスケードのヒートポンピング能力の改善が可能であることを証明している。内層のうち少なくとも2層が互いに異なる質量mを有し、隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値が、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にあることを条件として、本発明は、公知の層設計と比較して改善したヒートポンピング能力を示す磁気熱量カスケードの層設計を提供する。 The present invention recognizes the importance of the entropy parameter mΔS of the inner layer to improve the performance of the magnetocaloric cascade when transferring heat between the high temperature side and the low temperature side. The present invention further indicates that each actual magnetocaloric material has an individual temperature dependence of the entropy parameter, and typically exhibits an individual global maximum mΔS maximum at each Curie temperature for each layer. Is recognized. The present invention demonstrates that the heat pumping capability of the magnetocaloric cascade can be improved by appropriately adjusting the entropy parameter mΔS throughout the inner layer of the magnetocaloric cascade. At least two of the inner layers have different masses m, and all intersection values of the entropy parameter mΔS in all pairs of adjacent inner layers are average values of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade. The present invention provides a layer design of a magnetocaloric cascade that exhibits improved heat pumping capability compared to known layer designs, provided that it is exactly equal to or within a range of ± 15%.

以下において、本発明の第1の態様による磁気熱量カスケードの実施形態を説明する。   In the following, embodiments of the magnetocaloric cascade according to the first aspect of the invention will be described.

いくつかの実施形態において、隣接内層の全ての対のエントロピーパラメーターmΔSの交差点値の変動幅(margin of variation)は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値を基準として、±15%よりも更に小さい。いくつかの実施形態では、前記幅は±10%であり、別の実施形態では、わずか±5%である。変動幅が小さいほど、高温側と低温側との間で熱を移動させる際に得られる磁気熱量カスケードの性能改善は大きくなる傾向がある。   In some embodiments, the margin of variation of the entropy parameter mΔS of all pairs of adjacent inner layers is based on the average of all intersection values of all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade. And smaller than ± 15%. In some embodiments, the width is ± 10%, and in other embodiments it is only ± 5%. The smaller the fluctuation range, the greater the performance improvement of the magnetocaloric cascade obtained when transferring heat between the high temperature side and the low temperature side.

磁気熱量カスケードは、磁気熱量材料層の任意の適切な組み合わせにより実現され得る。カスケード動作時に高いヒートポンピング能力を達成するには、カスケードの異なる磁気熱量材料層が、組み合わせたとき、可能な限り高く、加えて、同一であるか前述の幅の範囲内でのみ変動する値において、磁気熱量カスケード全体にわたるエントロピーパラメーターmΔSの交差点値をもたらす、各材料及び各質量を示すことが有利である。   The magnetocaloric cascade can be realized by any suitable combination of magnetocaloric material layers. To achieve high heat pumping capability during cascade operation, the different magnetocaloric material layers of the cascade are as high as possible when combined, and in addition, at values that are the same or vary only within the aforementioned width range It is advantageous to show each material and each mass that results in an intersection value for the entropy parameter mΔS throughout the magnetocaloric cascade.

異なる材料特性により、エントロピーパラメーターの温度依存性は、それらの各最大量mΔS最大及び幅が大きく相違し得る線形を示し、例えば、最大量mΔS最大を基準とする半値全幅(FWHM)として決定される。この点に関して磁気熱量カスケードの材料を適切に選択するには、カスケードの隣接層間のキュリー温度差ΔT(キュリー温度間隔とも称される。)を考慮に入れる。通常、カスケードの2層の隣接磁気熱量層間のキュリー温度間隔が小さいほど、それらの2層の層のエントロピーパラメーターの交差点値は高くなる。更に、エントロピーパラメーターmΔSの温度依存性を記述する関数を特徴づける幅の程度は、カスケード設計において隣接磁気熱量材料のエントロピーパラメーターの交差点値の量に影響を及ぼすための好適なパラメーターを構成する。例えば、所与のキュリー温度間隔について、適切な材料選択により2層の隣接層のうち少なくとも1つにおいてエントロピーパラメーターmΔSの温度依存性の半値全幅(full width at half maximum)(FWHM)を大きくすると、一般に、カスケード内の2種の隣接磁気熱量材料のエントロピーパラメーターの交差点値は高くなる(説明を簡潔にするため、最大量mΔS最大は変化しないと仮定する)。キュリー温度間隔及びFWHMは、材料の所与の離散集合からの材料選択のみによって決定できるわけではない。いくつかの材料系では、これらのパラメーターは、各磁気熱量層のために磁気熱量材料の好適な組成を選択することにより、準連続的に調整することができる。化学量論組成の範囲における異なる構成元素を包含する複数の材料系が公知となっている。例示的材料系は、MnFePAs、MnAsSb、及びMnFePSiGeである。このような材料系は、実質的に連続的なキュリー温度の有効範囲をもたらす。カスケード設計における特定の磁気熱量層に適したキュリー温度は、材料系内での材料の構成元素の適切な化学量論組成を設定することによって得ることができる。他方で、エントロピーパラメーターの温度依存性のFWHMの幅の広がりは、例えば、わずかに異なる化学量論組成を有する材料を単一層に混合することにより、又は等しい厚さ及び均質な組成の磁気熱量層の代わりに、わずかに異なる化学量論組成を有する下層構造を持つ磁気熱量材料層を提供することにより、達成することができる。 Due to different material properties, the temperature dependence of the entropy parameters shows a linearity in which their respective maximum amounts mΔS max and width can differ greatly, eg determined as full width at half maximum (FWHM) relative to the maximum amount mΔS max. . To properly select the magnetocaloric cascade material in this regard, take into account the Curie temperature difference ΔT C (also referred to as the Curie temperature interval) between adjacent layers of the cascade. In general, the smaller the Curie temperature interval between two adjacent magnetocaloric layers of a cascade, the higher the intersection value of the entropy parameters of those two layers. Furthermore, the degree of breadth characterizing the function describing the temperature dependence of the entropy parameter mΔS constitutes a suitable parameter for influencing the amount of intersection value of the entropy parameters of adjacent magnetocaloric materials in a cascade design. For example, for a given Curie temperature interval, increasing the temperature-dependent full width at half maximum (FWHM) of the entropy parameter mΔS in at least one of the two adjacent layers by appropriate material selection, In general, the intersection value of the entropy parameters of the two adjacent magnetocaloric materials in the cascade will be high (for the sake of brevity, assume that the maximum amount mΔS maximum does not change). The Curie temperature interval and FWHM cannot be determined solely by material selection from a given discrete set of materials. In some material systems, these parameters can be adjusted semi-continuously by selecting a suitable composition of the magnetocaloric material for each magnetocaloric layer. Several material systems are known that contain different constituent elements in the stoichiometric range. Exemplary material systems are MnFePAs, MnAsSb, and MnFePSiGe. Such a material system provides a substantially continuous range of Curie temperatures. A Curie temperature suitable for a particular magnetocaloric layer in a cascade design can be obtained by setting an appropriate stoichiometric composition of the constituent elements of the material in the material system. On the other hand, the temperature-dependent FWHM broadening of the entropy parameter can be achieved, for example, by mixing materials with slightly different stoichiometric compositions into a single layer, or with a magnetocaloric layer of equal thickness and homogeneous composition. Can be achieved by providing a magnetocaloric material layer with an underlying structure having a slightly different stoichiometric composition.

本発明のカスケードのいくつかの実施形態では、異なる材料系による磁気熱量層が、カスケード内で用いられる。これらの実施形態は、本発明に従うカスケード設計を実現する上で、特に高い設計融通性をもたらす。化学的組成又は化学量論組成に相違がある磁気熱量材料は、本発明の所与の実施形態に従って磁気熱量カスケードを実現することに関係するそれらの材料パラメーターが同一の値をとることを条件として、本開示の文脈において同一の材料として考えられることに留意されたい。   In some embodiments of the cascade of the present invention, magnetocaloric layers with different material systems are used in the cascade. These embodiments provide particularly high design flexibility in implementing a cascade design according to the present invention. Magneto-caloric materials with differences in chemical or stoichiometric composition are subject to the same values of their material parameters related to realizing a magneto-caloric cascade in accordance with a given embodiment of the invention. Note that they are considered the same material in the context of this disclosure.

以下で、より詳細に考察される、いくつかの実施形態において、高温側外層及び低温側外層はいずれも、本発明に従い内層に適用される交差点値の必要条件を満たすわけではない。参照を明確にするため、これらの実施形態は、次の段落において第1群と称される。ただし、カスケードのその他の実施形態では、エントロピーパラメーターmΔSの交差点値に関して、この特定の設計を示すのは、内層のみであるわけではないことに留意されたい。加えて、(第2群の実施形態における)低温側外層とその隣接低温側内層によって構成される低温側外層対、又は(第3群の実施形態における)高温側外層とその隣接高温側内層によって構成される高温側外層対、又は(第4群の実施形態における)高温側及び低温側外層対もまた、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にある、エントロピーパラメーターmΔSの交差点値を示す。   In some embodiments, discussed in more detail below, neither the high temperature outer layer nor the low temperature outer layer meets the requirements of the intersection value applied to the inner layer in accordance with the present invention. For clarity of reference, these embodiments are referred to as the first group in the next paragraph. However, it should be noted that in other embodiments of the cascade, it is not only the inner layer that shows this particular design with respect to the intersection value of the entropy parameter mΔS. In addition, by a low temperature side outer layer pair (in the second group of embodiments) and its adjacent low temperature side inner layer, or (in the third group of embodiments) a high temperature side outer layer and its adjacent high temperature side inner layer The configured hot outer layer pair, or the hot and cold outer layer pair (in the fourth group of embodiments) is also exactly equal to the average of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade. Or the intersection value of the entropy parameter mΔS within a range of ± 15%.

前段落で言及した第1群から第3群の実施形態については、追加層設計措置により更なる動作改善が達成され得る。上記の文脈において、それ自体周知である通り、隣接磁気熱量層のそれぞれの対は、各キュリー温度間における各キュリー温度差ΔTを有する。追加設計措置に従えば、高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、より大きな、エントロピーパラメーターmΔSの最大値とキュリー温度差ΔTとの比mΔS最大/ΔTを示す。このタイプの実施形態による磁気熱量カスケードは、内層のいずれよりも大きな比率のmΔS最大/ΔTを有する、高温側外層又は低温側外層(又は両方)を提供することにより、公知の磁気熱量カスケードと比較して、ヒートポンプの磁気熱量再生器における磁気熱量カスケードの性能を更に改善させる。 For the first to third group of embodiments mentioned in the previous paragraph, further operational improvements can be achieved by additional layer design measures. In the above context, as known per se, each pair of adjacent magnetocaloric layer, having each Curie temperature difference [Delta] T C between the respective Curie temperatures. According to an additional design measures, the high-temperature side outer or cold-side outer layer, compared to either the inner layer of shows larger, the ratio mΔS maximum / [Delta] T C between the maximum value of entropy parameters mΔS and the Curie temperature difference [Delta] T C . Magnetocaloric cascade by this type of embodiment, than any inner layer having the mΔS maximum / [Delta] T C of greater proportions, by providing a high-temperature-side outer or cold-side outer (or both), and a known magnetocaloric cascade In comparison, the performance of the magnetocaloric cascade in the heat pump magnetocaloric regenerator is further improved.

パラメーターmΔS最大は、エントロピーパラメーターmΔSの最大値を構成する。換言すれば、パラメーターmΔS最大は、所与の質量mを有する各磁気熱量材料層の磁気相転移時に得られる、等温磁気エントロピー変化量の絶対最大値の尺度である。多くの磁気熱量材料にとって、等温磁気エントロピー変化の最大量は、所与の磁気熱量材料のキュリー温度Tにおいて得られる。パラメーターmΔS最大は、ΔSの温度依存性の特徴的線形により、所与の質量及び所与の材料組成の所与の層について明瞭に定義される。従って、磁気熱量材料は単一のΔS最大のみを有する。一般に、異なる磁気熱量材料は、ΔS最大の異なる値を有する。所定の層の質量を変更することは、隣接層を基準としてエントロピーパラメーターmΔSの交差点値を調整するためだけでなく、最大値mΔS最大を調整するために行ってもよい。 The parameter mΔS max constitutes the maximum value of the entropy parameter mΔS. In other words, the parameter mΔS max is a measure of the absolute maximum value of the isothermal magnetic entropy change obtained during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer having a given mass m. For many magnetocaloric material, the maximum amount of the isothermal magnetic entropy change is obtained in the Curie temperature T C of a given magnetocaloric material. The parameter mΔS max is clearly defined for a given layer of a given mass and a given material composition by the characteristic linearity of the temperature dependence of ΔS. Thus, the magnetocaloric material has only a single ΔS maximum . In general, different magnetocaloric materials have different values of ΔS maximum . Changing the mass of the predetermined layer may be performed not only for adjusting the intersection value of the entropy parameter mΔS on the basis of the adjacent layer but also for adjusting the maximum value mΔS maximum .

パラメーターΔTは、所与の層のキュリー温度と1層の隣接磁気熱量材料層との間の差を表す。本明細書では、印加される磁場がない状態で測定可能であるものとしての各キュリー温度が意味されている。キュリー温度Tは、所与の磁気熱量層の特徴を数量化するパラメーターであるのに対して、パラメーターΔTは、2層の所与の連続の層、即ち、カスケードの所与の層とその隣接磁気熱量層の特性を記述する。そのようなものであるから、パラメーターΔTは、所与の個々の層にまたがるものである。パラメーターΔTは、磁気熱量カスケードの層の順番の設計に関係する。 Parameter [Delta] T C represents the difference between adjacent magnetocaloric material layer Curie temperature and one layer of a given layer. In this specification, each Curie temperature is meant as being measurable in the absence of an applied magnetic field. Curie temperature T C is that the a parameter to quantify the characteristics of a given magnetocaloric layer, parameters [Delta] T C is given continuous layer of a two-layer, i.e., a given layer of a cascade Describe the characteristics of the adjacent magnetocaloric layer. Since it is such, parameters [Delta] T C is one that spans a given individual layer. Parameter [Delta] T C is related to the order of the design layer of magnetocaloric cascade.

ΔTの定義に関しては、簡略化のため、ある量が意味される場合でも、前記パラメーターは、||ΔT||ではなく、ΔTにより表されることに留意されたい。更に、ΔTの上記の定義には、一見して曖昧さが見られることもある。カスケードの内層の場合、1層の内層が、それぞれの側に1つずつ、2層の隣接層を有するため、原理的にパラメーターΔTの2つの異なる値が決定され得る。しかし、カスケード内でΔTのパラメーター値を比較する場合、カスケードに沿う2つの可能な方向のいずれかに沿ったΔTの決定の順序があるため、上記のような曖昧さは生じない。決定の順序は、所与の適用事例(冷却又は加熱)に依存する、カスケードを通る熱の流れの方向に従うことが好適である。いずれの場合も、所与のカスケード全体にわたるΔTの値のセットは、決定の順序に関係なく同一である。高温側層及び低温側層については、高温側層及び低温側層がカスケードの外層を構成するため、当然に1層の隣接層しかない。 For the definition of [Delta] T C, for simplicity, even if a certain amount is meant, the parameter, rather than || [Delta] T C ||, it should be noted that represented by [Delta] T C. Further, the above definition of [Delta] T C, sometimes ambiguity at a glance are seen. If the inner layer of the cascade, the inner layer of one layer, one on each side, for having adjacent layers of two layers, two different values of principle parameters [Delta] T C can be determined. However, when comparing the parameter values of [Delta] T C in the cascade, since there is a sequence determination of [Delta] T C along either of the two possible directions along the cascade, there is no ambiguity as described above. The order of determination is preferably according to the direction of heat flow through the cascade, depending on the given application (cooling or heating). In either case, the set of values of [Delta] T C throughout a given cascade is the same regardless of the order of determination. As for the high temperature side layer and the low temperature side layer, the high temperature side layer and the low temperature side layer constitute an outer layer of the cascade, so that there is naturally only one adjacent layer.

実施形態でのカスケードの内層との比較で、カスケードの高温側層又は低温側層におけるパラメーターmΔS最大/ΔTを最大にすると、以下の実施例に更に示されるように、カスケード全体の性能は更に改善する。得られる効果は、ヒートポンプの高温側又は低温側に対面する各外端におけるカスケードの強化として説明することもできる。mΔS最大/ΔTの比較的小さな差により、内層と比較して高温側又は低温側外層のいずれかにおいて、改善が既に達成されている。公知のカスケード設計と比較した場合の、磁気熱量カスケードのヒートポンピング能力に対する本実施形態の有利な効果は、特にカスケードの高温側と低温側との間の温度範囲が高くなるほど大きくなる。この温度範囲は通常、少なくとも近似的に、高温側外層と低温側外層との間でのキュリー温度の差に対応を見出す。所与の温度範囲の従来的設計と比較すると、上記の実施形態は、通常の温度範囲よりもかなり大きい温度差でも、改善した性能を有するヒートポンピングを実現している。 In comparison with the inner layer of the cascade in embodiments, when the maximum parameters mΔS maximum / [Delta] T C in the high temperature-side layer or the low-temperature-side layer of the cascade, as further illustrated in the following examples, the entire cascade performance further Improve. The effect obtained can also be described as a cascade reinforcement at each outer end facing the hot or cold side of the heat pump. The relatively small differences in mΔS up / [Delta] T C, in either a hot side or the cold side outer as compared with the inner layer, improvement has already been achieved. The advantageous effect of this embodiment on the heat pumping capability of the magnetocaloric cascade as compared to the known cascade design increases especially as the temperature range between the hot and cold sides of the cascade increases. This temperature range usually finds at least approximately a corresponding Curie temperature difference between the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer. Compared to a conventional design for a given temperature range, the above embodiments provide heat pumping with improved performance, even at temperature differences significantly greater than the normal temperature range.

高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、少なくとも1%大きい量の比mΔS最大/ΔTを示すことが好ましい。他の実施形態において、mΔS最大/ΔTは、高温側外層又は低温側外層において、少なくとも1層の内層のいずれよりも少なくとも5%大きい。別の実施形態では、パラメーターmΔS最大/ΔTは、高温側外層又は低温側外層において、少なくとも1層の内層のいずれよりも少なくとも10%大きい。一実施形態において、高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、少なくとも20%大きい量の比mΔS最大/ΔTを示す。更に他の実施形態において、高温側外層又は低温側外層は、150%以下の量の比mΔS最大/ΔTを示し、他の実施形態では、内層のいずれと比較しても、100%以下の大きさを示す。ヒートポンピング能力の改善は、比mΔS最大/ΔTが高温側外層又は低温側外層において内層よりも高くなる百分率の増加にほぼ比例して大きくなる。しかし、エントロピーパラメーターの最大値ΔS最大がより高い磁気熱量材料を選択することにより前記比率を上げるには、所与の隣接層と比較して高い交差点値を達成するように選択された材料のΔSの温度依存性の線幅(FWHM)に注意する必要がある。 Hot side outer layer or the low-temperature side outer layer, compared to either the inner layer of preferably exhibits a ratio mΔS maximum / [Delta] T C of at least 1% greater amount. In other embodiments, Emuderutaesu maximum / [Delta] T C is the high temperature side outer or cold-side outer layer by at least 5% greater than any of the inner layer at least one layer. In another embodiment, the parameter mΔS maximum / [Delta] T C is the high temperature side outer or cold-side outer layer, at least 10% greater than any of the inner layer at least one layer. In one embodiment, the high temperature-side outer or cold-side outer layer, compared to either the inner layer of, shows the ratio mΔS maximum / [Delta] T C of at least 20% greater amount. In yet another embodiment, the high temperature-side outer or cold-side outer layer, represents the ratio mΔS maximum / [Delta] T C of 150% or less of the amount, in other embodiments, compared to either the inner layer of the following 100% Indicates the size. Improvement of the heat pumping capacity is the ratio mΔS maximum / [Delta] T C increases substantially in proportion to the increase of the higher becomes percentage than the inner layer at a high temperature side outer or cold-side outer layer. However, to increase the ratio by selecting a magnetocaloric material with a higher entropy parameter maximum ΔS maximum , the ΔS of the material selected to achieve a high intersection value relative to a given adjacent layer. It is necessary to pay attention to the temperature-dependent line width (FWHM).

磁気熱量カスケードの3つの代替実施形態において、カスケードの外層に関する前述の強化措置は、a)高温側外層のみ、b)低温側外層のみ、又はc)高温側外層及び低温側外層両方に関係する。従って、高温側外層又は低温側外層が、内層のいずれと比較しても、より大きな比mΔS最大/ΔTを示すと述べるとき、用語「又は」は、言及された3つの選択肢を全て含むものと理解されるべきである。 In three alternative embodiments of the magnetocaloric cascade, the aforementioned enhancement measures for the outer layer of the cascade relate to a) only the high temperature side outer layer, b) only the low temperature side outer layer, or c) both the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer. Therefore, the high temperature-side outer or cold-side outer layer, compared to either the inner layer of, when stating that exhibit greater ratios mΔS up / [Delta] T C, the term "or" is intended to include all three options mentioned Should be understood.

従って、3番目に言及された選択肢を表す磁気熱量カスケードのいくつかの実施形態では、高温側外層及び低温側外層は、比mΔS最大/ΔTの同じ値を示す。このことにより、磁気熱量カスケードの性能に関して特に大きな改善が達成される。類似した実施形態において、高温側及び低温側外層の一方は、他方よりも高い量の比mΔS最大/ΔTを有する。これら他の実施形態のいくつかにおいて、高温側及び低温側外層の一方は、少なくとも1層の内層のいずれよりも高い量の比mΔS最大/ΔTを有する。 Thus, in some embodiments of the magnetocaloric cascade representing the choices mentioned third, high-temperature-side outer layer and the low-temperature side outer layer indicates the same value of the ratio mΔS up / [Delta] T C. This achieves a particularly great improvement with respect to the performance of the magnetocaloric cascade. In similar embodiments, one of the high temperature side and low temperature side outer layer has a ratio mΔS maximum / [Delta] T C higher amount than the other. In some of these other embodiments, one of the high temperature side and low temperature side outer layer has a ratio mΔS maximum / [Delta] T C higher than any of the inner layer at least one layer of an amount.

エントロピーパラメーターmΔSの最大量ΔT、即ち、mΔS最大/ΔTを調整するために様々な措置を単独で又は相互に組み合わせて用いて、カスケードの好適な実施形態の設計を達成することができる。 The maximum amount [Delta] T C of entropy parameters Emuderutaesu, i.e., can be used in combination alone or mutually different measures to adjust the Emuderutaesu maximum / [Delta] T C, to achieve the design of a preferred embodiment of the cascade.

いくつかの実施形態において実現されているそのような1つの措置は、内層のいずれと比較しても、ΔS最大の量を大きくすることである。ΔS最大の変動は、例えば、キュリー温度に関する所与の適用事例の必要条件を当然に考慮した、適切な材料選択によって達成され得る。このタイプの実施形態のいくつかの変種における高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、少なくとも2%大きい量のΔS最大を示す。高温側外層又は低温側外層内で、内層のいずれと比較しても、少なくとも10%大きいΔS最大の量を有する他の変種では、更に大きな効果が達成される。内層と比較した高温側外層又は低温側外層における上昇するΔS最大の上限は、内層のいずれと比較しても、約50%である。 One such measure that has been implemented in some embodiments is to increase the amount of ΔS maximum compared to any of the inner layers. The ΔS maximum variation can be achieved, for example, by appropriate material selection, which naturally takes into account the requirements of a given application with respect to the Curie temperature. The high temperature side outer layer or the low temperature side outer layer in some variants of this type of embodiment exhibits an amount of ΔS maximum that is at least 2% greater than either of the inner layers. Greater effects are achieved with other variants having a ΔS maximum amount of at least 10% greater than either the inner layer, either in the high temperature side outer layer or in the low temperature side outer layer. The upper limit of the rising ΔS maximum in the high temperature side outer layer or the low temperature side outer layer compared to the inner layer is about 50% compared to any of the inner layers.

前記選択肢において又は上記措置と組み合わせて用い得る別の措置に従えば、高温側外層又は低温側外層は、内層のいずれと比較しても、より小さな量のΔTを示す。それ自体公知である通り、磁気熱量材料の材料系において、ΔTの変動は、例えば、化学量論組成、即ち、カスケードの所定の層を設計するための所与の材料系内の材料組成における構成元素の異なる画分の調整によって達成され得る。磁気熱量カスケードの更なる実施形態において、高温側層又は低温側層は、少なくとも1層の内層のいずれと比較しても、少なくとも0.2%小さい量のΔTを示す。磁気熱量カスケードの別の実施形態において、高温側層又は低温側層は、少なくとも1層の内層のいずれと比較しても、少なくとも5%小さい量のΔTを示す。ただし、好ましい量のΔTの下限を基準として、高温側層又は低温側層は、0.25K以上、好ましくは0.5K以上である、ΔTの量を示すことが好ましい。 According to another measure that may be used in combination with or the measures in the alternative, the high-temperature side outer or cold-side outer layer, compared to either the inner layer of shows [Delta] T C of smaller amounts. As is known per se, in a magnetocaloric material system, variations in ΔT c are, for example, stoichiometric, ie in the material composition within a given material system for designing a given layer of the cascade. It can be achieved by adjusting different fractions of the constituent elements. In a further embodiment of the magnetocaloric cascade hot side layer or the low temperature side layer, compared to either of the inner layer at least one layer, it shows a [Delta] T C of at least 0.2% smaller amounts. In another embodiment of the magnetocaloric cascade hot side layer or the low temperature side layer, compared to either of the inner layer at least one layer, it shows a [Delta] T C of at least 5% smaller amounts. However, based on the lower limit of the preferred amount of [Delta] T C, the high temperature-side layer or the low-temperature-side layer, or 0.25 K, preferably 0.5K or more, it is preferable to indicate the amount of [Delta] T C.

エントロピーパラメーターΔSの交差点値に影響を及ぼすために、いくつかの実施形態において用いられる別の設計パラメーターは、温度依存性の線幅、例えば、Kの単位で定量される半値全幅(full width at half the maximum)量(ΔS最大)である。大きな線幅を高くし、従って、隣接磁気熱量層の所与の対の交差点値を高くするために、前記層の少なくとも1つにおいて異なる磁気熱量層の組み合わせを用いてもよい。いくつかのそのような実施形態では、連続の下位層、好ましくは、単一層と比較して連続の下位層又は混合の最大量ΔS最大を減少させないものを使用することができる。 To influence the intersection value of the entropy parameter ΔS, another design parameter used in some embodiments is a temperature-dependent line width, eg, full width at half quantified in units of K. the maximum) amount (ΔS maximum ). A combination of different magnetocaloric layers in at least one of the layers may be used to increase the large line width and thus increase the intersection value of a given pair of adjacent magnetocaloric layers. In some such embodiments, continuous sublayers, preferably those that do not reduce the maximum amount of mixing ΔS max as compared to a single layer, can be used.

外層のうち少なくとも1層の強さを更に高めるのに適した、このような一実施形態において、高温側外層又は低温側外層又はその両方は、それぞれ、少なくとも2層の高温側下位層又は低温側下位層の連続の下位層を含む。このようにすると、各外層内でのキュリー温度のグレーディング(grading)を得ることができ、各外層でのヒートポンピング効果が更に改善する。   In such an embodiment suitable for further increasing the strength of at least one of the outer layers, the hot outer layer or the cold outer layer or both are at least two hot sublayers or cold sides, respectively. Contains successive lower layers of lower layers. In this way, grading of the Curie temperature in each outer layer can be obtained, and the heat pumping effect in each outer layer is further improved.

既に述べたように、パラメーター質量、ΔS最大及びΔTのそれぞれは、交差点値を調整するために、及び/又はカスケードの高温側又は低温側外層及び/又はその隣接内層においてmΔS最大/ΔTの最大量を調整するために、層のいずれかにおいて、単独で又は組み合わせて、変更されてもよい。 As already mentioned, parameters mass, each of ΔS maximum and [Delta] T C, in order to adjust the intersection values, and / or the high temperature side or low-side outer layer and / or its adjacent layer of the cascade of mΔS up / [Delta] T C To adjust the maximum amount, any of the layers may be changed alone or in combination.

磁気熱量カスケードの実施形態のいずれかにおいて使用するための材料が本明細書に記載の実施形態の各必要条件に従って選択され得る、磁気熱量材料系は、例えばWO2014/115057A1、11頁26行〜14頁31行に開示されている。公開WO2014/115057A1全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。   A magnetocaloric material system in which materials for use in any of the magnetocaloric cascade embodiments can be selected according to the requirements of the embodiments described herein is, for example, WO2014 / 115057A1, page 11, lines 26-14. It is disclosed on page 31. The entire published WO2014 / 115057A1 is hereby incorporated by reference.

本発明の第2の態様に従えば、本発明の第1の態様又はその実施形態のいずれか1つに従う磁気熱量カスケードを備える磁気熱量再生器が提供される。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a magnetocaloric regenerator comprising a magnetocaloric cascade according to any one of the first aspect of the present invention or an embodiment thereof.

磁気熱量再生器は、本発明の第1の態様による磁気熱量カスケードの利点を共有する。   The magnetocaloric regenerator shares the advantages of the magnetocaloric cascade according to the first aspect of the invention.

磁気熱量再生器は、多くの異なる実施形態において実現され得る。これらの異なる実施形態のいくつかは、異なる各形状における第1の態様の磁気熱量カスケードを含む。いくつかの実施形態では、平面形状が用いられる。他の実施形態において、磁気熱量カスケードは、熱伝達流体を収容するための、磁気熱量カスケードを通って延びる1つ以上のチャネル、又は複数のマイクロチャネルを備える。磁気熱量発生器(magnetocaloric generator)は、異なる各材料形状による磁気熱量材料層を含んでもよい。磁気熱量材料層は、いくつかの実施形態において、固体材料層又は多孔質磁気熱量材料層により構成される。他の実施形態において磁気熱量材料層は磁気熱量粒子により構成され、前記磁気熱量粒子は、異なる実施形態において球面形状、円盤形状などの非球面形状、又は不規則形状の配合材料である。異なる実施形態の球面形状粒子は、50〜500μmの粒径を有し、いくつかの実施形態では、約100μmの粒径である。粒子層は、一般に、圧力下で結合物質を使用して形成される。現時点で好ましい実施形態において、再生器は、粒子層の充填ベッドを備える。   The magnetocaloric regenerator can be implemented in many different embodiments. Some of these different embodiments include the first aspect of the magnetocaloric cascade in different shapes. In some embodiments, a planar shape is used. In other embodiments, the magnetocaloric cascade comprises one or more channels or a plurality of microchannels that extend through the magnetocaloric cascade to accommodate a heat transfer fluid. The magnetocaloric generator may include magnetocaloric material layers with different material shapes. The magnetocaloric material layer is, in some embodiments, constituted by a solid material layer or a porous magnetocaloric material layer. In another embodiment, the magnetocaloric material layer is composed of magnetocaloric particles, and the magnetocaloric particle is a compound material having a spherical shape, an aspherical shape such as a disc shape, or an irregular shape in different embodiments. The spherical particles of different embodiments have a particle size of 50-500 μm, and in some embodiments, a particle size of about 100 μm. The particle layer is generally formed using a binding material under pressure. In a currently preferred embodiment, the regenerator comprises a packed bed of particle beds.

本発明の第3の態様に従い、本発明の第2の態様又はその実施形態のいずれか1つに従う磁気熱量再生器を備えるヒートポンプが提供される。ヒートポンプは、本発明の第2の態様による磁気熱量再生器の利点を共有する。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a heat pump comprising a magnetocaloric regenerator according to any one of the second aspect of the present invention or an embodiment thereof. The heat pump shares the advantages of the magnetocaloric regenerator according to the second aspect of the present invention.

以下で、ヒートポンプの実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of a heat pump will be described.

ヒートポンプの実施形態は、ヒートポンプ動作本体の温度上昇及び温度降下を含むポンピングシーケンス(pumping sequence)を循環的に実行するように、適切に構成される。   The heat pump embodiment is suitably configured to cyclically perform a pumping sequence that includes a temperature rise and a temperature drop of the heat pump operating body.

更なる好適な実施形態のヒートポンプは、高温側外層と熱交換する高温側界面、低温側外層と熱交換する低温側界面、及び磁気熱量カスケードを介して前記高温側界面と前記低温側界面との間に熱伝達流体の流れを生じさせるように構成された熱伝達システムを更に備え、ここで、高温側外層のキュリー温度がヒートポンプ動作時に高温側界面の温度よりも高くなるように選択されるか、低温側外層のキュリー温度がヒートポンプ動作時に低温側界面の温度よりも低くなるように選択される。例えば、冷却用途では、低温側界面は冷却対象物と熱的に接触するように構成され、高温側界面はヒートシンクと熱的に接触するように構成される。   In a further preferred embodiment, the heat pump includes a high temperature side interface that exchanges heat with the high temperature side outer layer, a low temperature side interface that exchanges heat with the low temperature side outer layer, and the high temperature side interface and the low temperature side interface via a magnetocaloric cascade. A heat transfer system configured to generate a flow of heat transfer fluid therebetween, wherein the hot outer layer Curie temperature is selected to be higher than the hot interface temperature during heat pump operation The Curie temperature of the low temperature side outer layer is selected to be lower than the temperature of the low temperature side interface during the heat pump operation. For example, in cooling applications, the low temperature side interface is configured to be in thermal contact with the object to be cooled, and the high temperature side interface is configured to be in thermal contact with the heat sink.

本発明の第4の態様に従えば、磁気熱量カスケードの製造方法が提供される。前記方法は、
− 異なるキュリー温度Tを有する異なる連続の磁気熱量材料層を製造する工程であって、前記磁気熱量材料層が、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも3層の内層を含む、工程;
− 互いに異なる質量mを有する内層のうち少なくとも2層を製造する工程であって、
− 前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のポンピング能力エントロピーパラメーターmΔSは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターmΔSは、前記各磁気熱量材料層の質量mと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔSとの積として定義され;
更に、
− 隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にある、工程
を含む。
According to a fourth aspect of the present invention, a method for producing a magnetocaloric cascade is provided. The method
- different a Curie temperature T C to produce different consecutive magnetocaloric material layer having a step, the magnetocaloric material layer, the low-temperature side outer, high-temperature-side outer layer and between the high temperature side outer and the low temperature side outer Including at least three inner layers in between;
-Producing at least two of the inner layers having different masses m,
-For each pair of adjacent magnetocaloric material layers of the magnetocaloric cascade, there is a respective crossing temperature, where the pumping capacity entropy parameter mΔS of both each adjacent magnetocaloric material layer takes the same crossing point value and entropy The parameter mΔS is defined as the product of the mass m of each magnetocaloric material layer and the isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer;
Furthermore,
All intersection values of the entropy parameter mΔS in all pairs of adjacent inner layers are exactly equal to the average value of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade or range of ± 15% width Which includes a process.

本発明の第4の態様による方法は、本発明の第1の態様による磁気熱量カスケードの文脈において上記の利点を達成する。前記方法の実施形態は、本発明の第1の態様の文脈において記載された実施形態の追加的特徴を更に含むように、カスケードを製造する工程を含む。   The method according to the fourth aspect of the present invention achieves the above advantages in the context of the magnetocaloric cascade according to the first aspect of the present invention. Embodiments of the method include the step of manufacturing a cascade so as to further include additional features of the embodiments described in the context of the first aspect of the invention.

前記方法の一実施形態において、隣接磁気熱量層のそれぞれの対は、各キュリー温度間における各キュリー温度差ΔTを有し、内層のいずれと比較しても、より大きな、エントロピーパラメーターmΔSの最大値とキュリー温度差ΔTとの比mΔS最大/ΔTを示すように、高温側外層又は低温側外層が作製される。 In one embodiment of the method, each of the pair of adjacent magnetocaloric layers, having respective Curie temperature difference [Delta] T C between each Curie temperature, compared to either the inner layer of larger, maximum entropy parameters mΔS as shown the ratio mΔS maximum / [Delta] T C between the value and the Curie temperature difference [Delta] T C, the high temperature-side outer or cold-side outer layer is produced.

本発明の第5の態様に従えば、ヒートポンピング方法は、
− 本発明の第1の態様又はその実施形態のいずれか1つに従う磁気熱量カスケードを備える磁気熱量再生器を使用してヒートポンピングシーケンスを実行する工程
を含む。
According to the fifth aspect of the present invention, the heat pumping method comprises:
-Performing a heat pumping sequence using a magnetocaloric regenerator comprising a magnetocaloric cascade according to the first aspect of the invention or any one of its embodiments.

以下では、ヒートポンピング方法の実施形態を説明する。   Hereinafter, an embodiment of the heat pumping method will be described.

一実施形態において、ポンピングシーケンスは、ヒートシンクとの熱交換において実行される磁気熱量カスケードの温度上昇を含む。ポンピングシーケンスは、ヒートシンク温度よりも0.5〜5K高いキュリー温度を有する磁気熱量材料層である高温側外層を有する磁気熱量カスケードを使用して実行される。   In one embodiment, the pumping sequence includes a temperature increase of the magnetocaloric cascade performed in heat exchange with the heat sink. The pumping sequence is performed using a magnetocaloric cascade having a hot outer layer that is a magnetocaloric material layer having a Curie temperature 0.5-5K above the heat sink temperature.

更なる実施形態は、同封された特許請求の範囲に記載されている。   Further embodiments are set forth in the enclosed claims.

以下では、同封された図面を参照しながら更なる実施形態について説明する。   In the following, further embodiments will be described with reference to the enclosed drawings.

図1は、磁気熱量材料層について、エントロピーSを、温度Tの関数として、線形単位(ジュール/ケルビン)と線形単位ケルビンによりプロットした図を示す。図に示された曲線は、ST曲線とも称される。図1は、単なる概略図であり、以下を説明することのみを目的としている。磁気熱量材料層は、異なる量の磁場の印加下で、異なるST曲線を示す。2つの例示的曲線A及びBは、H=0(磁場の印加なし)及びH≠0(特定量の磁場の印加)の場合を示している。H=0の場合のST曲線は、より高いエントロピーレベルにあることがわかるが、これは示された磁気熱量材料層の全エントロピーに対する磁気エントロピーの寄与がより大きいことによる。結晶格子と層の磁気熱量材料の電子により、エントロピーSへの更なる寄与がもたらされる。磁場ベクトルの方向に沿った全磁気モーメントの配向につながる磁気熱量材料層の相転移を引き起こす程度に強い磁場の印加下で、所与の温度での磁気エントロピーは、ΔS最大の量だけ減少する。これにより温度上昇が生じる。断熱プロセスにおける温度上昇の最大値は、ΔTad,最大になり、図1に示されるようにΔS最大が観察される温度とは異なる温度で生じる。 FIG. 1 shows a plot of entropy S as a function of temperature T plotted in linear units (joules / kelvin) and linear units Kelvin for a magnetocaloric material layer. The curve shown in the figure is also referred to as an ST curve. FIG. 1 is merely schematic and is intended only to explain the following. The magnetocaloric material layer exhibits different ST curves under application of different amounts of magnetic field. Two exemplary curves A and B show the case where H = 0 (no magnetic field applied) and H ≠ 0 (a specific amount of magnetic field applied). It can be seen that the ST curve for H = 0 is at a higher entropy level due to the greater contribution of magnetic entropy to the total entropy of the magnetocaloric material layer shown. The crystal lattice and the electrons of the magnetocaloric material of the layer provide a further contribution to the entropy S. Under application of a magnetic field strong enough to cause a phase transition of the magnetocaloric material layer that leads to the orientation of the total magnetic moment along the direction of the magnetic field vector, the magnetic entropy at a given temperature is reduced by a maximum amount ΔS. This causes a temperature rise. The maximum temperature rise in the adiabatic process is ΔT ad, maximum , and occurs at a temperature different from the temperature at which the ΔS maximum is observed as shown in FIG.

以下では、図2〜図4を並行して参照する。図2は、磁気熱量再生器として使用され、従って、矢印11で示される方向に熱を移動させるための冷却装置の動作本体として使用される、磁気熱量カスケード10の一実施形態を示す。図3は、図2のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化ΔSの温度依存性の説明図を示す。図4は、図2のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図を示す。   Hereinafter, FIGS. 2 to 4 will be referred to in parallel. FIG. 2 illustrates one embodiment of a magnetocaloric cascade 10 that is used as a magnetocaloric regenerator and is therefore used as the operating body of a cooling device for transferring heat in the direction indicated by arrow 11. FIG. 3 is an explanatory diagram of the temperature dependence of the isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer in the cascade of FIG. FIG. 4 shows an explanatory diagram of the temperature dependence of the mass-weighted isothermal magnetic entropy change (ie, entropy parameter) during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer in the cascade of FIG.

カスケード10は、12〜20層の連続の磁気熱量材料層から構成される。特に、本実施例では、カスケードは低温側外層12を有し、それに続いて複数の磁気熱量内層があり、それらのうち内層14、16及び18が提供されている。更に、カスケードは高温側外層20を有する。低温側外層12とその隣接内層14により構成される層対(12、14)は、本明細書において、低温側外層対とも称される。高温側外層20とその隣接内層18により構成される層対(18、20)は、本明細書において、高温側外層対とも称される。   Cascade 10 is composed of 12-20 continuous magnetocaloric material layers. In particular, in this embodiment, the cascade has a low temperature side outer layer 12, followed by a plurality of magnetocaloric inner layers, of which inner layers 14, 16 and 18 are provided. Further, the cascade has a hot outer layer 20. The layer pair (12, 14) constituted by the low temperature side outer layer 12 and the adjacent inner layer 14 is also referred to as a low temperature side outer layer pair in this specification. The layer pair (18, 20) constituted by the high temperature side outer layer 20 and the adjacent inner layer 18 is also referred to as a high temperature side outer layer pair in this specification.

10層の連続の磁気熱量カスケードは、図3及び図4により説明される以下の特定の特徴を有する。まず、図3は、従来技術によるカスケードの各磁気熱量材料層の磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化ΔSの温度依存性の概略図を示す。図3の図の基礎になる磁気熱量カスケードは、図2の構造に似た5層の磁気熱量材料層を有する。前記磁気熱量層は、12’〜20’として参照される。ただし、図3において参照される磁気熱量カスケードは、以下の説明から明らかになるように、従来技術による構造体である。   The 10-layer continuous magnetocaloric cascade has the following specific features illustrated by FIGS. First, FIG. 3 shows a schematic diagram of the temperature dependence of the mass-weighted isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer of the cascade according to the prior art. The magnetocaloric cascade underlying the diagram of FIG. 3 has five magnetocaloric material layers similar to the structure of FIG. The magnetocaloric layer is referred to as 12'-20 '. However, the magnetocaloric cascade referred to in FIG. 3 is a structure according to the prior art, as will be apparent from the following description.

異なる磁気熱量材料層12〜20は同一の質量及び異なるのキュリー温度Tを有し、図3において、対応する層の各参照ラベルという観点から、低温側外層12’から高温側外層20’まで連続に増加する値で、T (12)、T (14)、T (16)、T (18)及びT (20)としてラベル付けされている。磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、即ち、層対(12、14)、(14、16)、(16、18)及び(18、20)について、各交差温度T1’、T2’、T3’及びT4’が存在し、ここで、各磁気熱量材料層の磁気相転移における層質量と等温磁気エントロピー変化ΔSとの積mΔSは、両方の各隣接磁気熱量材料層で同一である。対応する交差点には、C1’、C2’、C3’及びC4’としてラベル付けされている。隣接内層の全ての対、即ち層対(14、16)及び(16、18)の平均交差点値mΔS’平均が、計算可能であり、図3のグラフに示されている。図3が示すように、交差点C1’、C2’、C3’及びC4’におけるmΔSの値は異なっている。特に、内層の対(14、16)及び(16、18)に対するC2’及びC3’のmΔSの交差点値は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値mΔS’平均から±15%の幅の外にある。平均交差点値mΔS’平均からの幅の上限及び下限は、図3において、mΔs’平均+15%及びmΔs’平均−15%とラベル付けされており、これらはmΔs’平均+0.15*mΔs’平均及びmΔs’平均−0.15*mΔs’平均を意味する。この説明図は概略的なものであり、従って、縮尺通りに値を示していない場合があることに留意されたい。 Different magnetocaloric material layer 12 to 20 have the same mass and different Curie temperatures T C, 3, from the viewpoint of the reference label of the corresponding layer, 'from the hot side outer layer 20' cold side outer 12 to The values increase continuously and are labeled T C (12) , T C (14) , T C (16) , T C (18), and T C (20) . For each pair of adjacent magnetocaloric material layers of the magnetocaloric cascade, ie for the layer pairs (12, 14), (14, 16), (16, 18) and (18, 20), each crossing temperature T1 ′, T2 ′, T3 ′ and T4 ′ are present, where the product mΔS of the layer mass and the isothermal magnetic entropy change ΔS in the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer is the same in both adjacent magnetocaloric material layers. is there. Corresponding intersections are labeled as C1 ′, C2 ′, C3 ′ and C4 ′. The average intersection value mΔS ′ average of all pairs of adjacent inner layers, ie layer pairs (14, 16) and (16, 18), can be calculated and is shown in the graph of FIG. As FIG. 3 shows, the values of mΔS at the intersections C1 ′, C2 ′, C3 ′ and C4 ′ are different. In particular, the intersection value of C2 ′ and C3 ′ mΔS for inner layer pairs (14, 16) and (16, 18) is the average mΔS ′ average of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade. Is within ± 15% of the width. The upper and lower limits of the width from the average intersection value mΔS ′ average are labeled in FIG. 3 as mΔs ′ average + 15% and mΔs ′ average− 15%, which are mΔs ′ average + 0.15 * mΔs ′ average. And mΔs ′ average −0.15 * mΔs ′ average . Note that this illustration is schematic and therefore may not show values to scale.

対照的に、図4は、図2のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図を示す。各層のキュリー温度T (12)、T (14)、T (16)、T (18)及びT (20)は、図3において参照されている従来技術によるカスケードのものと同一であることが仮定されている。ただし、これは単に説明を簡潔にすることを目的としている。図2の実施形態に対する図4に示されているように、カスケード10の異なる層12〜20の材料及び質量は、本発明の実施形態を構成するように個々に調整されている。換言すれば、カスケード10において、磁気熱量材料層のうち少なくとも2つは、互いに異なる質量mを有している。好適な材料選択及び層質量の設計により、質量加重エントロピー変化の同一の交差点値C1、C2、C3及びC4、即ち上記で定義されたエントロピーパラメーターmΔSが得られる。より具体的には、個別磁気熱量材料層の質量mと各磁気熱量材料層の磁気相転移時のその等温磁気エントロピー変化量ΔSとの積として定義される、エントロピーパラメーターmΔSは、交差温度T1、T2、並びにT3及びT4において同一であり、交差温度T1’、T2’、T3’及びT4’とは異なる。従って、本実施形態において、磁気熱量カスケード全体にわたるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値C1、C2、C3及びC4は、完全に等しくなっている。他の実施形態において、これらの交差点値は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値mΔS平均に対して±15%の幅の範囲内で等しい。 In contrast, FIG. 4 shows an illustration of the temperature dependence of the mass-weighted isothermal magnetic entropy change (ie, entropy parameter) during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer of the cascade of FIG. The Curie temperatures T C (12) , T C (14) , T C (16) , T C (18) and T C (20) of each layer are the same as those of the prior art cascade referenced in FIG. It is assumed that However, this is simply for the sake of brevity. As shown in FIG. 4 for the embodiment of FIG. 2, the materials and mass of the different layers 12-20 of the cascade 10 are individually adjusted to form an embodiment of the present invention. In other words, in the cascade 10, at least two of the magnetocaloric material layers have different masses m. With suitable material selection and layer mass design, the same intersection values C1, C2, C3 and C4 of the mass weighted entropy change, ie the entropy parameter mΔS defined above, are obtained. More specifically, the entropy parameter mΔS, which is defined as the product of the mass m of the individual magnetocaloric material layer and its isothermal magnetic entropy change ΔS at the time of the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer, is the crossing temperature T1, It is the same at T2, and T3 and T4, and is different from the cross temperatures T1 ′, T2 ′, T3 ′ and T4 ′. Therefore, in this embodiment, all the intersection values C1, C2, C3 and C4 of the entropy parameter mΔS throughout the magnetocaloric cascade are completely equal. In other embodiments, these intersection values are equal within a range of ± 15% relative to the average mΔS average of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade.

隣接磁気熱量層を基準とするエントロピーパラメーターmΔSの全交差点値C1、C2、C3及びC4は、実際に同一であることが、本実施形態の目立った特徴である。本発明に従えば、これは必要条件ではなく、本発明は、全ての内層が、隣接内層に関して、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対の全交差点値の平均値mΔS平均に厳密に等しいか±15%の幅の範囲内にある、エントロピーパラメーターmΔSの交差点値を有することのみを要求する。以下で更に示されるように、本発明に従う更なる実施形態は、前述したmΔS平均からの幅の外部に交差点値を示すように設計された、高温側及び低温側外層を有する。 A conspicuous feature of this embodiment is that all the intersection values C1, C2, C3 and C4 of the entropy parameter mΔS based on the adjacent magnetocaloric layer are actually the same. According to the present invention, this is not a requirement, and the present invention shows that all inner layers are, with respect to adjacent inner layers, exactly equal to the average mΔS average of all intersection values of all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade. It is only required to have an intersection value for the entropy parameter mΔS, which is in the range of ± 15% width. As further shown below, a further embodiment according to the present invention has a hot side and a cold side outer layer designed to show an intersection value outside the width from the mΔS average described above.

本実施形態の更なる目立った特徴として、mΔSの最大量は全ての層において等しい。ただし、これは必要条件ではない。   As a further prominent feature of this embodiment, the maximum amount of mΔS is equal in all layers. However, this is not a requirement.

説明した設計に基づいて、カスケード10は、ヒートポンピング用途において特に高い性能を達成している。   Based on the described design, the cascade 10 has achieved particularly high performance in heat pumping applications.

図5及び図6は、本発明に従う磁気熱量カスケードの2つの異なる実施形態による、2層の隣接磁気熱量材料層52、54及び62、64における磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図である。図5及び図6において参照される磁気熱量カスケードは、複数の磁気熱量層を備える。特に、内層対の全交差点値の平均値mΔS平均を基準とする交差点の等しさ又は幅に関する記載必要条件に従う、少なくとも3層の内層が提供される。ただし、カスケードの更なる層についてのこのような情報は、簡潔性の理由により図5及び図6では省略されている。2層の隣接磁気熱量材料層52、54及び62、64は、図示されているように、各外層対を構成している。換言すれば、層52及び62は高温側又は低温側外層であり、以下では短縮して外層と称される。各隣接層54及び64は、特許請求の範囲の表現で言う内層を構成する。 FIGS. 5 and 6 illustrate mass-weighted isothermal magnetic entropy changes (i.e., during a magnetic phase transition in two adjacent magnetocaloric material layers 52, 54 and 62, 64 according to two different embodiments of a magnetocaloric cascade according to the present invention). It is explanatory drawing of the temperature dependence of an entropy parameter). The magnetocaloric cascade referred to in FIGS. 5 and 6 comprises a plurality of magnetocaloric layers. In particular, at least three inner layers are provided that comply with the stated requirements for intersection equality or width relative to the average mΔS average of all intersection values of the inner layer pairs. However, such information about the further layers of the cascade is omitted in FIGS. 5 and 6 for reasons of brevity. Two adjacent magnetocaloric material layers 52, 54 and 62, 64 constitute each outer layer pair as shown. In other words, the layers 52 and 62 are high temperature side or low temperature side outer layers, and are referred to as outer layers for short in the following. Each adjacent layer 54 and 64 constitutes an inner layer in terms of claims.

両方の実施形態の外層52及び62は、以下で説明するように、本発明のこれら2つの実施形態において強化されている。図5の実施形態において、外層52は、隣接内層54と比較して、エントロピーパラメーターmΔSの最大量mΔS最大がより高くなっている。外層52のこの性質は、外層52の好適な材料選択又は質量の好適な設定により実現され得る。隣接内層54と比較してエントロピーパラメーターmΔSの最大量mΔS最大がより高くなる外層52の材料及び/又は質量の選択は、mΔS最大の好適な実際量及びエントロピーパラメーターmΔSの温度依存性の半値全幅を仮定すれば、図5に示された2つの曲線のmΔSの交差点値C5を上昇させる傾向がある。図5の状況を実現する、いくつかの実施形態において、交差点値C5は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値mΔS平均を基準として±15%の幅の外部にある。他の実施形態において、交差点値C5は、完全な等しさを満たしたとしても、この幅の範囲内に収まる。 The outer layers 52 and 62 of both embodiments are reinforced in these two embodiments of the invention, as described below. 5 embodiment, the outer layer 52, as compared with the adjacent inner layer 54, the maximum amount mΔS maximum entropy parameters mΔS becomes higher. This property of the outer layer 52 can be achieved by a suitable material selection or a suitable setting of the mass of the outer layer 52. Material and / or mass of the selected adjacent inner layer 54 the maximum amount mΔS maximum entropy parameter mΔS compared becomes higher as the outer layer 52, the temperature dependence of the full width at half maximum of mΔS maximum preferred actual amount and entropy parameters mΔS Assuming that there is a tendency to increase the intersection value C5 of mΔS of the two curves shown in FIG. In some embodiments that implement the situation of FIG. 5, the intersection value C5 is an external value that is ± 15% wide relative to the average mΔS average of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade. It is in. In other embodiments, the intersection value C5 falls within this width, even if it is fully equal.

図6の実施形態において、外層62は、隣接内層64と比較して、エントロピーパラメーターmΔSの最大量mΔS最大が同じである。しかし、層の材料は、それらのキュリー温度間隔ΔTが図5の実施形態と比較して小さくなるように選択されている。このことは、カスケード全体で個別に最も高い最大値を基準として、エントロピーパラメーターmΔSの交差点値C6が上昇することにもつながっている。外層62とその隣接内層との間のキュリー温度差の選択は、エントロピーパラメーターmΔSの温度依存性の好適な半値全幅を仮定すれば、図5に示された2つの曲線のmΔSの交差点値C6を上昇させる傾向がある。図6の状況を実現する、いくつかの実施形態において、交差点値C6は、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値mΔS平均を基準として±15%の幅の外部にある。他の実施形態において、交差点値C6は、完全な等しさを満たしたとしても、この幅の範囲内に収まる。 In the embodiment of FIG. 6, the outer layer 62, as compared with the adjacent inner layer 64, the maximum amount mΔS maximum entropy parameters mΔS are the same. However, the material of the layers, their Curie temperature interval [Delta] T C is selected to be small compared to the embodiment of FIG. This also leads to an increase in the intersection value C6 of the entropy parameter mΔS based on the highest maximum value individually in the entire cascade. The selection of the Curie temperature difference between the outer layer 62 and the adjacent inner layer assumes that the intersection value C6 of mΔS of the two curves shown in FIG. 5 is assumed, assuming a preferred full width at half maximum of the temperature dependence of the entropy parameter mΔS. There is a tendency to increase. In some embodiments that implement the situation of FIG. 6, the intersection value C6 is an external value with a width of ± 15% relative to the average value mΔS average of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade. It is in. In other embodiments, the intersection value C6 falls within this width, even if it meets full equality.

記載された両方の措置により、ヒートポンピング性能の改善が達成される。   Both measures described achieve an improvement in heat pumping performance.

以下では、図7〜図14を参照しながらカスケードの更なる実施形態を考察する。   In the following, further embodiments of the cascade will be considered with reference to FIGS.

図7〜図14は、Engelbrecht:「A Numerical Model of an Active Magnetic Regenerator Refrigeration System」、http://digital.library.wisc.edu/1793/7596に記載されたものに似た物理モデルを使用して実施された仮想実験の結果を示している。一次元モデルが用いられた。カスケードの磁気熱量材料の総質量は0.025kgであった。ブロー当たり移送体積は4x10−6であった。 FIGS. 7-14 show Engelbrecht: “A Numeric Model of an Active Magnetic Regenerator Refrigeration System”, http: // digital. library. wsc. FIG. 6 shows the results of a virtual experiment performed using a physical model similar to that described in edu / 1793/7596. A one-dimensional model was used. The total mass of the magnetocaloric material of the cascade was 0.025 kg. The transfer volume per blow was 4 × 10 −6 m 3 .

前記仮想実験では、本実施形態により達成されるポンピング能力に対する有利な効果を実証するため、基準カスケードが使用された。特に、図7及び図11に示される基準カスケードでは、全ての磁気熱量材料層が同じ質量を有している。   In the virtual experiment, a reference cascade was used to demonstrate the beneficial effect on the pumping capability achieved by this embodiment. In particular, in the reference cascade shown in FIGS. 7 and 11, all magnetocaloric material layers have the same mass.

実施例1:
本発明によるものではなく、比較のみを目的として用いる、図7に従う基準カスケードについて、冷却能を定量した。基準カスケードは以下の特性を有する。基準カスケードは、図7に示される曲線の最大値に対応するキュリー温度を示す、6層の連続の磁気熱量層1’〜6’を含む。これらの層は同じ基準質量を有し、全磁気熱量層の総質量は0.025kgである。ブロー当たり移送体積は4x10−6となる。グラフ表示の簡略化のみを目的として、図7及び図8の曲線を決定するに当たり質量を層当たり1kgと仮定した。図9及び図10に示される実際の能力計算では、実際の質量を用いた。
Example 1:
The cooling capacity was quantified for a reference cascade according to FIG. 7, which was not in accordance with the invention and was used for comparison purposes only. The reference cascade has the following characteristics: The reference cascade includes six consecutive magnetocaloric layers 1′-6 ′ that exhibit a Curie temperature corresponding to the maximum of the curve shown in FIG. These layers have the same reference mass and the total mass of the total magnetocaloric layer is 0.025 kg. The transfer volume per blow is 4 × 10 −6 m 3 . For the purpose of simplifying the graphical display only, the mass was assumed to be 1 kg per layer in determining the curves of FIGS. In the actual capacity calculation shown in FIGS. 9 and 10, the actual mass was used.

温度の関数としてのエントロピーパラメーターの曲線の交差点は、表1に特定されるとおりである。   The intersection of the entropy parameter curves as a function of temperature is as specified in Table 1.

Figure 2018507378
Figure 2018507378

表1に示している偏差値は、交差点C1’〜C5’の平均値(9.17J/K)を基準として計算した。   The deviation values shown in Table 1 were calculated based on the average value (9.17 J / K) of the intersections C1 'to C5'.

比較すると、図8に表されたカスケードは、異なる層1〜6において同じ磁気熱量材料を基礎としている。ただし、図8のカスケードの層のいくつかは、図7の基準カスケードの対応層とは異なる質量を有している。相対質量は表2に示され、ここで、質量1は、層の数(即ち6)で割った0.0025kgに対応している。各層は層1〜層6として番号を与えられており、これらは図7の基準カスケードの層1’(低温側外層)〜層6’(高温側外層)、及び図8の実施形態の層1(低温側外層)〜層6(高温側外層)を意味する。   In comparison, the cascade represented in FIG. 8 is based on the same magnetocaloric material in the different layers 1-6. However, some of the layers of the cascade of FIG. 8 have different masses than the corresponding layers of the reference cascade of FIG. The relative mass is shown in Table 2, where mass 1 corresponds to 0.0025 kg divided by the number of layers (ie 6). Each layer is numbered as layer 1 -layer 6, which are layer 1 ′ (low temperature side outer layer) to layer 6 ′ (high temperature side outer layer) of FIG. 7 and layer 1 of the embodiment of FIG. It means (low temperature side outer layer) to layer 6 (high temperature side outer layer).

Figure 2018507378
Figure 2018507378

表2に示されるように、図7の基準カスケードと比較して、図8の実施形態における層1、2、4、5及び6の質量の変化により、図8の実施形態において以下の交差点値が得られた。   As shown in Table 2, due to the change in the mass of layers 1, 2, 4, 5 and 6 in the embodiment of FIG. 8 compared to the reference cascade of FIG. was gotten.

Figure 2018507378
Figure 2018507378

表1に示されている偏差値は、交差点C1〜C5の平均値(8.62J/K)を基準として計算した。   The deviation values shown in Table 1 were calculated based on the average value (8.62 J / K) of the intersections C1 to C5.

図7の基準カスケード、及び図8の本発明のカスケードの実施形態について、冷却能を定量した。図9は、高温側外層と低温側外層との間の温度範囲(TS)(単位:ケルビン)の関数として、図7及び図8のカスケードの冷却能(CP、単位:ワット)を示す図である。用いられている異なる記号は、異なるカスケードを表しており、図8の実施形態について得られたCP値は正方形で表され、基準カスケード(図7)について得られたCP値は菱形で表されている。図8の実施形態の冷却能は、全ての温度範囲について、図7の基準カスケードの冷却能よりも明らかに高い。図10は、0〜20Kの温度範囲TSの範囲において、異なる温度範囲TS(単位:K)、即ちカスケードの低温側界面における異なる動作温度に対する、23.9℃のカスケードの高温側界面の動作温度について、上記(図7)の基準カスケードの冷却能に関連して、図8の実施形態の冷却能改善(ICP)(単位:%)を示している。各温度範囲を決定するために用いた温度値は、カスケードへ入る高温側及び低温側入口点で取得される。   The cooling capacity was quantified for the reference cascade of FIG. 7 and the embodiment of the cascade of the present invention of FIG. FIG. 9 is a diagram showing the cooling capacity (CP, unit: watts) of the cascade of FIGS. 7 and 8 as a function of the temperature range (TS) (unit: Kelvin) between the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer. is there. The different symbols used represent different cascades, the CP values obtained for the embodiment of FIG. 8 are represented by squares, and the CP values obtained for the reference cascade (FIG. 7) are represented by diamonds. Yes. The cooling capacity of the embodiment of FIG. 8 is clearly higher than that of the reference cascade of FIG. 7 for all temperature ranges. FIG. 10 shows the operating temperature of the high temperature side interface of the cascade of 23.9 ° C. in the temperature range TS of 0-20K, for different temperature ranges TS (unit: K), ie different operating temperatures at the low temperature side interface of the cascade. FIG. 8 shows the cooling capacity improvement (ICP) (unit:%) of the embodiment of FIG. 8 in relation to the cooling capacity of the reference cascade of FIG. 7 above. The temperature values used to determine each temperature range are acquired at the hot and cold entry points entering the cascade.

図9及び図10の図は、0〜20Kの温度範囲TSの全範囲において、図7の基準カスケードと比較して、図8の実施形態の磁気熱量カスケードの冷却能が大幅に改善していることを明らかに示している。この改善は全温度範囲で概ね同じである。   9 and 10 show that the cooling capacity of the magnetocaloric cascade of the embodiment of FIG. 8 is greatly improved over the entire temperature range TS of 0 to 20 K compared to the reference cascade of FIG. It clearly shows that. This improvement is generally the same over the entire temperature range.

実施例2:
本発明によるものではなく、比較のみを目的として用いる、図11に従う基準カスケードについて、冷却能を定量した。基準カスケードは以下の特性を有する。基準カスケードは、図11に示される曲線の最大値に対応するキュリー温度を示す、5層の連続の磁気熱量層1’〜5’を含む。これらの層は同じ基準質量を有し、5つ全ての磁気熱量層の総質量は0.025kgである。ブロー当たり移送体積は4x10−6となる。前述のように、グラフ表示の簡略化のみを目的として、図11及び図12の曲線を決定するに当たり質量を層当たり1kgと仮定した。図13及び図14に示される冷却能計算のために、層の数(即ち5)で割った0.025kgという実際の質量を用いた。
Example 2:
Cooling capacity was quantified for a reference cascade according to FIG. 11 that was not in accordance with the present invention and was used for comparison purposes only. The reference cascade has the following characteristics: The reference cascade includes five consecutive magnetocaloric layers 1′-5 ′ showing the Curie temperature corresponding to the maximum of the curve shown in FIG. These layers have the same reference mass and the total mass of all five magnetocaloric layers is 0.025 kg. The transfer volume per blow is 4 × 10 −6 m 3 . As described above, the mass was assumed to be 1 kg per layer in determining the curves of FIGS. 11 and 12 for the purpose of simplifying the graph display. The actual mass of 0.025 kg divided by the number of layers (ie 5) was used for the cooling capacity calculations shown in FIGS.

温度の関数としての基準カスケードのエントロピーパラメーターの曲線の交差点は、表4に指定されるとおりである。   The intersection of the curves of the reference cascade entropy parameters as a function of temperature is as specified in Table 4.

Figure 2018507378
Figure 2018507378

表1に示されている偏差値は、交差点C1’〜C4’の平均値(11.21J/K)を基準として計算した。   The deviation values shown in Table 1 were calculated based on the average value (11.21 J / K) of the intersections C1 'to C4'.

比較すると、図12に表されたカスケードは、異なる層1〜5において同じ材料を基礎としている。ただし、図12のカスケードの層のいくつかは、図11の基準カスケードの対応層とは異なる質量を有している。相対質量は表2に示され、ここで、質量1は0.0025kgに対応している。各層は層1〜層5として番号を与えられており、これらは図11の基準カスケードの層1’(低温側外層)〜層5’(高温側外層)、及び図12の実施形態の層1(低温側外層)〜層5(高温側外層)を意味する。   In comparison, the cascade represented in FIG. 12 is based on the same material in the different layers 1-5. However, some of the layers of the cascade of FIG. 12 have different masses than the corresponding layers of the reference cascade of FIG. The relative mass is shown in Table 2, where mass 1 corresponds to 0.0025 kg. Each layer is numbered as layer 1 -layer 5, which are layer 1 ′ (low temperature side outer layer) to layer 5 ′ (high temperature side outer layer) of FIG. 11 and layer 1 of the embodiment of FIG. It means (low temperature side outer layer) to layer 5 (high temperature side outer layer).

Figure 2018507378
Figure 2018507378

表2に示されるように、層1、2及び3の質量の変化により、図12の実施形態において以下の交差点値が得られた。   As shown in Table 2, the following intersection values were obtained in the embodiment of FIG.

Figure 2018507378
Figure 2018507378

表1に示されている偏差値は、交差点C1〜C4の平均値(11.67J/K)を基準として計算した。   The deviation values shown in Table 1 were calculated based on the average value (11.67 J / K) of the intersections C1 to C4.

図11の基準カスケード、及び図12の本発明のカスケードの実施形態について、冷却能を定量した。図13は、高温側外層と低温側外層との間の温度範囲(TS)(単位:ケルビン)の関数として、図11及び図12のカスケードの冷却能(CP、単位:ワット)を示す図である。用いられている異なる記号は、異なるカスケードを表しており、図12の実施形態について得られたCP値は正方形で表され、基準カスケード(図11)について得られたCP値は菱形で表されている。図12の実施形態の冷却能は、6Kまでの全ての温度範囲について、図11の基準カスケードの冷却能よりも明らかに高い。図14は、0〜8Kの温度範囲TSの範囲において、異なる温度範囲TS(単位:K)、即ちカスケードの低温側界面における異なる動作温度に対する、9.8℃のカスケードの高温側界面の動作温度について、上記(図11)の基準カスケードの冷却能に関連して、図12の実施形態の冷却能改善(ICP)(単位:%)を示している。各温度範囲を決定するために用いた温度値は、カスケードへ入る高温側及び低温側入口点で取得される。   The cooling capacity was quantified for the reference cascade of FIG. 11 and the embodiment of the cascade of the present invention of FIG. FIG. 13 is a diagram showing the cooling capacity (CP, unit: watts) of the cascade of FIGS. 11 and 12 as a function of the temperature range (TS) (unit: Kelvin) between the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer. is there. The different symbols used represent different cascades, the CP values obtained for the embodiment of FIG. 12 are represented by squares, and the CP values obtained for the reference cascade (FIG. 11) are represented by diamonds. Yes. The cooling capacity of the embodiment of FIG. 12 is clearly higher than that of the reference cascade of FIG. 11 for all temperature ranges up to 6K. FIG. 14 shows the operating temperature of the high temperature side interface of the cascade of 9.8 ° C. in the temperature range TS of 0 to 8K, for different operating temperature ranges TS (unit: K), ie different operating temperatures at the low temperature side interface of the cascade. FIG. 12 shows the cooling capacity improvement (ICP) (unit:%) of the embodiment of FIG. 12 in relation to the cooling capacity of the reference cascade described above (FIG. 11). The temperature values used to determine each temperature range are acquired at the hot and cold entry points entering the cascade.

図13及び図14の図は、0〜6Kの温度範囲TSの範囲において、図11の基準カスケードと比較して、図8の実施形態の磁気熱量カスケードの冷却能が大幅に改善していることを明らかに示している。この改善はこの範囲の全温度範囲で同じである。   FIGS. 13 and 14 show that the cooling capacity of the magnetocaloric cascade of the embodiment of FIG. 8 is greatly improved in the temperature range TS of 0 to 6 K compared to the reference cascade of FIG. Clearly shows. This improvement is the same over the entire temperature range of this range.

片側又は両側の2つ(又はそれ以上)の外層を改変して、層当たりの質量を大きくするか、キュリー温度間隔を小さくしたカスケードについては、結果は同様のものとなる。   For cascades with two (or more) outer layers on one or both sides modified to increase the mass per layer or reduce the Curie temperature interval, the results are similar.

キュリー温度近傍にて磁気熱量材料を磁場に曝露する場合と曝露しない場合での、磁気エントロピーの温度依存性の相違を表す概略図を示す。The schematic diagram showing the difference in the temperature dependence of magnetic entropy in the case where the magnetocaloric material is exposed to the magnetic field in the vicinity of the Curie temperature and the case where it is not exposed is shown. 磁気熱量カスケードの実施形態を示す。2 illustrates an embodiment of a magnetocaloric cascade. 従来技術に従う、カスケードの各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化ΔSの温度依存性の説明図を示す。FIG. 9 shows an explanatory diagram of the temperature dependence of isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer of the cascade according to the prior art. 図2のカスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図を示す。FIG. 3 is an explanatory diagram of temperature dependence of mass-weighted isothermal magnetic entropy change (that is, entropy parameter) at the time of magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer in the cascade of FIG. 2. 磁気熱量カスケードの2つの異なる実施形態の一方による、2層の隣接磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図である。FIG. 6 is an illustration of the temperature dependence of a mass-weighted isothermal magnetic entropy change (ie, entropy parameter) during a magnetic phase transition of two adjacent magnetocaloric material layers according to one of two different embodiments of the magnetocaloric cascade. 磁気熱量カスケードの2つの異なる実施形態の他方による、2層の隣接磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図である。FIG. 4 is an illustration of the temperature dependence of mass-weighted isothermal magnetic entropy change (ie, entropy parameter) during magnetic phase transition of two adjacent magnetocaloric material layers according to the other of two different embodiments of the magnetocaloric cascade. 本発明によらないカスケードの例示的実施例として用いられる基準カスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図を示す。FIG. 4 shows an illustration of the temperature dependence of mass-weighted isothermal magnetic entropy change (ie entropy parameter) during a magnetic phase transition for each magnetocaloric material layer of a reference cascade used as an exemplary embodiment of a cascade not according to the invention. . 比較のために、本発明に従う実施形態の各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図を示す。For comparison, an explanatory diagram of the temperature dependence of the mass-weighted isothermal magnetic entropy change (that is, the entropy parameter) during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer of the embodiment according to the present invention is shown. 高温側外層と低温側外層との間の温度範囲(TS)(単位:ケルビン)の関数として、図7及び図8のカスケードの冷却能(CP、単位:ワット)を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the cooling capacity (CP, unit: watts) of the cascade of FIGS. 7 and 8 as a function of the temperature range (TS) (unit: Kelvin) between the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer. 高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲について図7の基準カスケードと比較した、図8の磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善(ICPと略記)を表す図を示す。FIG. 9 illustrates a cooling capability improvement (abbreviated as ICP) for the embodiment of the magnetocaloric cascade of FIG. 8 compared to the reference cascade of FIG. 7 for different temperature ranges between the high temperature side temperature and the low temperature side temperature. 本発明によらないカスケードの例示的実施例として用いられる基準カスケードの各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図を示す。FIG. 4 shows an illustration of the temperature dependence of mass-weighted isothermal magnetic entropy change (ie entropy parameter) during a magnetic phase transition for each magnetocaloric material layer of a reference cascade used as an exemplary embodiment of a cascade not according to the invention. . 図11との比較のために、本発明に従う実施形態の各磁気熱量材料層の、磁気相転移時の質量加重等温磁気エントロピー変化(即ち、エントロピーパラメーター)の温度依存性の説明図を示す。For comparison with FIG. 11, an explanatory diagram of the temperature dependence of the mass-weighted isothermal magnetic entropy change (ie, entropy parameter) at the time of the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer of the embodiment according to the present invention is shown. 高温側外層と低温側外層との間の温度範囲(TS)(単位:ケルビン)の関数として、図11及び図12のカスケードの冷却能(CP、単位:ワット)を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the cooling capacity (CP, unit: watt) of the cascade of FIGS. 11 and 12 as a function of the temperature range (TS) (unit: Kelvin) between the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer. 高温側温度と低温側温度との間での異なる温度範囲について図11の基準カスケードと比較した、図12の磁気熱量カスケードの実施形態の冷却能改善(ICPと略記)を表す図を示す。FIG. 13 illustrates a cooling capability improvement (abbreviated ICP) for the embodiment of the magnetocaloric cascade of FIG. 12 compared to the reference cascade of FIG. 11 for different temperature ranges between the high temperature side temperature and the low temperature side temperature.

Claims (15)

異なるキュリー温度Tを有する連続の磁気熱量材料層を含む磁気熱量カスケードであって、
− 前記磁気熱量材料層は、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも3層の内層を含み、
− 前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のエントロピーパラメーターmΔSは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターmΔSは、前記各磁気熱量材料層の質量mと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔSとの積として定義され、
− 前記内層のうち少なくとも2層は、互いに異なる質量mを有し、
− 隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にある、
磁気熱量カスケード。
A magnetocaloric cascade containing magnetocaloric material layer continuous with different Curie temperatures T C,
The magnetocaloric material layer includes a low temperature side outer layer, a high temperature side outer layer, and at least three inner layers between the low temperature side outer layer and the high temperature side outer layer;
-For each pair of adjacent magnetocaloric material layers of the magnetocaloric cascade, there is a respective crossing temperature, where the entropy parameter mΔS of both adjacent magnetocaloric material layers takes the same crossing point value and the entropy parameter mΔS Is defined as the product of the mass m of each magnetocaloric material layer and the isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer,
-At least two of the inner layers have different masses m,
All intersection values of the entropy parameter mΔS in all pairs of adjacent inner layers are exactly equal to the average value of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade or range of ± 15% width In
Magnetocaloric cascade.
隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値が、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±10%の幅の範囲内にある、請求項1に記載の磁気熱量カスケード。   All intersection values of the entropy parameter mΔS in all pairs of adjacent inner layers are exactly equal to the average value of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade or within a range of ± 10% The magnetocaloric cascade according to claim 1, wherein 前記低温側外層とその隣接低温側内層によって構成される低温側外層対、又は前記高温側外層とその隣接高温側内層によって構成される高温側外層対、又は前記高温側外層と前記低温側外層との対が、磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にある、エントロピーパラメーターmΔSの交差点値を示す、請求項1に記載の磁気熱量カスケード。   The low temperature side outer layer pair constituted by the low temperature side outer layer and the adjacent low temperature side inner layer, or the high temperature side outer layer pair constituted by the high temperature side outer layer and the adjacent high temperature side inner layer, or the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer. Wherein the pair of is indicative of an intersection value of the entropy parameter mΔS that is exactly equal to the average value of all the intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade or within a range of ± 15%. 2. The magnetocaloric cascade according to 1. − 前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量層のそれぞれの対が、それらの各キュリー温度間における各キュリー温度差ΔTを有し、更に、
− 前記高温側外層、又は前記低温側外層、又は前記高温側外層及び前記低温側外層両方が、前記内層のいずれと比較しても、より大きな、エントロピーパラメーターmΔSの最大値とキュリー温度差ΔTとの比mΔS最大/ΔTを示す、
請求項1又は2に記載の磁気熱量カスケード。
- wherein each pair of adjacent magnetocaloric layer of magnetocaloric cascade has a respective Curie temperature difference [Delta] T C between their respective Curie temperatures, further,
- the hot side outer layer or the low-temperature side outer layer or both the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer, compared to either the inner layer, the larger the maximum value of entropy parameters mΔS and the Curie temperature difference [Delta] T C It shows the ratio mΔS maximum / [Delta] T C and,
The magnetocaloric cascade according to claim 1 or 2.
前記高温側外層又は前記低温側外層が、前記内層のいずれと比較しても、少なくとも1%大きい量の比mΔS最大/ΔTを示す、請求項4に記載の磁気熱量カスケード。 The hot-side outer layer or the low-temperature side outer layer, compared to either of the inner layer show a ratio mΔS maximum / [Delta] T C of at least 1% greater amount, magnetocaloric cascade according to claim 4. 前記高温側及び低温側外層の一方が、他方よりも大きな量の比mΔS最大/ΔTを有し、前記高温側及び低温側外層の他方が、前記内層のいずれよりも大きな量の比mΔS最大/ΔTを有する、請求項4に記載の磁気熱量カスケード。 One of the hot-side and cold-side outer layer, and the other has a specific mΔS maximum / [Delta] T C of an amount greater than the other of the high temperature side and low temperature side outer layer, the ratio mΔS largest amount greater than any of the inner layer / has a [Delta] T C, magnetocaloric cascade according to claim 4. 前記高温側層又は前記低温側層が、前記内層のいずれと比較しても、より小さな量のΔTを示す、請求項4に記載の磁気熱量カスケード。 The hot-side layer or the low-temperature side layer, compared to either the inner layer, shows a [Delta] T C of smaller quantities, magnetocaloric cascade according to claim 4. 前記高温側層又は前記低温側層が、0.5K以上である量のΔTを示す、請求項7に記載の磁気熱量カスケード。 The hot-side layer or the low-temperature side layer indicates the amount of [Delta] T C is not less than 0.5 K, magnetocaloric cascade according to claim 7. 前記高温側外層、又は前記低温側外層、又は前記高温側外層及び前記低温側外層両方が、それぞれ、少なくとも2層の高温側下位層又は低温側下位層の連続の下位層を含む、請求項1から8のうち少なくとも一項に記載の磁気熱量カスケード。   The high temperature side outer layer, or the low temperature side outer layer, or both the high temperature side outer layer and the low temperature side outer layer, respectively, include at least two high temperature side sublayers or a continuous low layer of low temperature side sublayers, respectively. 9. A magnetocaloric cascade according to at least one of claims 1 to 8. 請求項1から9のうち少なくとも一項に記載の磁気熱量再生器。   A magnetocaloric regenerator according to at least one of claims 1 to 9. 請求項10に記載の磁気熱量再生器を備えるヒートポンプ。   A heat pump comprising the magnetocaloric regenerator according to claim 10. − 前記高温側外層と熱交換する高温側界面、
− 前記低温側外層と熱交換する低温側界面、及び
− 磁気熱量カスケードを介して前記高温側界面と前記低温側界面との間に熱伝達流体の流れを提供するように構成された熱伝達システムであって、
前記高温側外層のキュリー温度が前記ヒートポンプ動作時に前記高温側界面の温度よりも高くなるように選択されるか、前記低温側外層のキュリー温度が前記ヒートポンプ動作時に前記低温側界面の温度よりも低くなるように選択される、熱伝達システム
を更に備える、請求項11に記載のヒートポンプ。
-A high temperature side interface for heat exchange with the high temperature side outer layer;
A low temperature side interface that exchanges heat with the low temperature side outer layer, and a heat transfer system configured to provide a flow of heat transfer fluid between the high temperature side interface and the low temperature side interface via a magnetocaloric cascade. Because
The Curie temperature of the high temperature side outer layer is selected to be higher than the temperature of the high temperature side interface during the heat pump operation, or the Curie temperature of the low temperature side outer layer is lower than the temperature of the low temperature side interface during the heat pump operation. The heat pump of claim 11, further comprising a heat transfer system selected to be.
− 異なるキュリー温度Tを有する異なる連続の磁気熱量材料層を製造する工程であって、前記磁気熱量材料層が、低温側外層、高温側外層、及び前記低温側外層と前記高温側外層との間にある少なくとも3層の内層を含む、工程と;
− 互いに異なる質量mを有する内層のうち少なくとも2層を製造する工程であって、
− 前記磁気熱量カスケードの隣接磁気熱量材料層のそれぞれの対について、各交差温度が存在し、ここで、両方の各隣接磁気熱量材料層のポンピング能力エントロピーパラメーターmΔSは同一の交差点値を取り、エントロピーパラメーターmΔSは、前記各磁気熱量材料層の質量mと、前記各磁気熱量材料層の磁気相転移時の等温磁気エントロピー変化量ΔSとの積として定義され、
更に、
− 隣接内層の全ての対におけるエントロピーパラメーターmΔSの全ての交差点値は、前記磁気熱量カスケードの隣接内層の全ての対における全ての交差点値の平均値に厳密に等しいか、±15%の幅の範囲内にある、
工程と
を含む磁気熱量カスケードの製造方法。
- different a Curie temperature T C to produce different consecutive magnetocaloric material layer having a step, the magnetocaloric material layer, the low-temperature side outer, high-temperature-side outer layer and between the high temperature side outer and the low temperature side outer Including at least three inner layers in between;
-Producing at least two of the inner layers having different masses m,
-For each pair of adjacent magnetocaloric material layers of the magnetocaloric cascade, there is a respective crossing temperature, where the pumping capacity entropy parameter mΔS of both each adjacent magnetocaloric material layer takes the same crossing point value and entropy The parameter mΔS is defined as the product of the mass m of each magnetocaloric material layer and the isothermal magnetic entropy change ΔS during the magnetic phase transition of each magnetocaloric material layer,
Furthermore,
All intersection values of the entropy parameter mΔS in all pairs of adjacent inner layers are exactly equal to the average value of all intersection values in all pairs of adjacent inner layers of the magnetocaloric cascade or range of ± 15% width In
And a magnetocaloric cascade manufacturing method.
− 請求項1に記載の磁気熱量カスケードを備える磁気熱量再生器を使用してヒートポンピングシーケンスを実行する工程
を含む、ヒートポンピング方法。
A heat pumping method comprising the step of performing a heat pumping sequence using a magnetocaloric regenerator comprising a magnetocaloric cascade according to claim 1.
− 前記ヒートポンピングシーケンスが、前記磁気熱量再生器の温度上昇を含み、前記ヒートポンピングシーケンスが、前記高温側外層のキュリー温度よりも0.5K〜5K高い温度にて動作するヒートシンクとの熱交換において実行される、
請求項14に記載のヒートポンピング方法。
The heat pumping sequence includes a temperature rise of the magnetocaloric regenerator, and the heat pumping sequence is in heat exchange with a heat sink operating at a temperature 0.5K-5K higher than the Curie temperature of the high temperature side outer layer. Executed,
The heat pumping method according to claim 14.
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